一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸線配準方法

2023-08-08 03:24:56 1

一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸線配準方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸線配準方法，包括以下步驟：對雷達影像進行處理，獲取其中的河/海岸線，並轉換為全局坐標系下的像素位置坐標；根據S57海圖格式標準，從電子海圖中提取代表河/海岸線的線條信息，並轉換為大地坐標系下的經緯度坐標；通過灰色關聯處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行關聯匹配，比較不同位置及尺度下的數據關聯度，在這兩種不同來源的數據之間實現粗配準；通過ICP配準處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行精配準。本發明提供的岸線識別方法識別精確度高，為其他目標識別劃定範圍做鋪墊，有效降低雷達目標識別的錯誤率。
【專利說明】一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸線配準方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及地理信息【技術領域】，尤其涉及一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸 線配準方法。

【背景技術】
[0002] 在船舶現代化監管中，海事雷達是一種非常重要的監管手段。由於其工作環境復 雜，岸線周圍錯綜複雜的建築物、行駛車輛、風浪、水面等往往會對海事雷達產生較大的幹 擾，出現雜波，有必要針對雷達圖像進行處理，生成岸線的基本輪廓，進而為岸線識別，以及 水上目標識別做好鋪墊，以便降低雷達目標識別的錯誤率。此外，對雷達影像和電子海圖的 疊加顯示，能夠將電子海圖的地理信息優勢和雷達裝備的實時探測能力結合在一起，從而 更加準確地獲悉周圍水域的障礙物信息，大幅提高船舶的避碰能力。因此，通過圖像處理技 術，從雷達影像中提取出岸線數據，並與電子海圖進行配準，實現雷達影像和電子海圖的疊 加顯示，在保障水上交通安全方面具有重要意義。


【發明內容】

[0003] 本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中的缺陷，提供一種基於雷達影像與 電子海圖信息的岸線配準方法。
[0004] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種基於雷達影像與電子海圖信息 的岸線配準方法，包括以下步驟：
[0005] 1)對雷達影像進行處理，獲取其中的河/海岸線，並轉換為全局坐標系下的像素 位置坐標；
[0006] 2)根據S57海圖格式標準，從電子海圖中提取代表河/海岸線的線條信息，並轉換 為大地坐標系下的經緯度坐標；
[0007] 3)通過灰色關聯處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行 關聯匹配，比較不同位置及尺度下的數據關聯度，在這兩種不同來源的數據之間實現粗配 準；
[0008] 4)通過ICP配準處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行 精配準。
[0009] 按上述方案，所述步驟1)中雷達影像的圖像處理使用包括連通域判別、邊緣提 取、Gabor小波處理圖像處理技術。
[0010] 按上述方案，所述步驟（1)中基於雷達影像的河/海岸線信息提取方法，包括以下 步驟：
[0011] (I. 1)對雷達影像進行灰度變換，將彩色圖像轉化為8位灰度圖像；
[0012] (1. 2)對雷達影像進行連續幀間差分處理，提取雷達檢測中的背景影像；定義第t 幀雷達檢測影像為：U，其中i、j代表第i行，第j列的像素點；則連續三幀雷達影像可 以分別表示為

【權利要求】
1. 一種基於雷達影像與電子海圖信息的岸線配準方法，其特徵在於，包括以下步驟： 1) 對雷達影像進行處理，獲取其中的河/海岸線，並轉換為全局坐標系下的像素位置 坐標； 2) 根據S57海圖格式標準，從電子海圖中提取代表河/海岸線的線條信息，並轉換為大 地坐標系下的經緯度坐標； 3) 通過灰色關聯處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行關聯 匹配，比較不同位置及尺度下的數據關聯度，在這兩種不同來源的數據之間實現粗配準； 4) 通過ICP配準處理手段，針對雷達影像和電子海圖所提取出來的岸線坐標進行精配 準。
2. 根據權利要求1所述的岸線配準方法，其特徵在於，所述步驟1)中雷達影像的圖像 處理使用包括連通域判別、邊緣提取、Gabor小波處理圖像處理技術。
3. 根據權利要求1所述的岸線配準方法，其特徵在於，所述步驟（1)中基於雷達影像的 河/海岸線信息提取方法，包括以下步驟： (I.1)對雷達影像進行灰度變換，將彩色圖像轉化為8位灰度圖像； (1.2)對雷達影像進行連續幀間差分處理，提取雷達檢測中的背景影像；定義第t幀雷 達檢測影像為：其中i、j代表第i行，第j列的像素點；則連續三幀雷達影像可以分 別表示為：WjM7H;同時定義第t巾貞的背景圖像為：(?+ (1. 3)將這三幀連續視頻圖像分為兩組，第t-Ι幀和第t幀為一組，第t幀及第t+1 幀為另一組，分別對這兩組視頻的每一個象素點進行幀間差減，並將其絕對值保存在
(1.4)將{/?/}中各像素的值分別與一個預先給定的閾值Ttl進行比較，如果 某一點i，j上對應的作「/}，{1?1}的值均大於Ttl，則可以判斷這一點在當前連續三幀圖 像中都是運動的；反之，該點即為背景圖像中的一部分，如公式（2)所示，對前30秒 的雷達檢測影像反覆進行背景提取處理，即可構建出完整的初始背景影像；
(1. 5)統計背景影像的灰度分布直方圖，設定閾值T1，針對目標信息的灰度特性進行二 值化；如公式⑶所示：
(1.6)在得到二值化的背景圖象後，利用區域生長法將灰度值為255的像素點按鄰 域連通性原則合成一個區域，對連通區域像素值大小的統計和排序，如果區域面積過小或 者長寬比不符合岸線的一般特徵，則認為是幹擾信號而予以刪除，最終選取出包含了岸 線有效信息的連通區域；其中，連通區域的選取採用四領域法，即目標像素P及其周圍的 (x+l，y), (x，y-l), (x-l，y), (x，y+l)呈現聯通狀態則認為是同一連通域； (1. 7)採用拉普拉斯算子對包含岸線有效信息的連通域進行邊緣提取，獲取可能的岸 線邊緣；拉普拉斯算子的定義如公式（4)、（5)所示：
(1.8)對背景邊緣圖像採用Hough變換獲取岸線的方向信息，Hough變換的極坐標定義 為：xcosΘ+ysinΘ=P，通過對所有邊緣像素點的極坐標（P，Θ)進行統計，選取最大的 Θ作為岸線的方向角信息，並以其為依據確定Gabor變換的角度，代入Gabor小波中實現對 岸線點的提取；二維Gabor小波變換以及傅立葉變換的定義如公式（6)、（7)、（8)所示：
4.根據權利要求1所述的岸線配準方法，其特徵在於，所述步驟（3)中針對來自雷達影 像和電子海圖的岸線信息進行灰色關聯分析，確定幾何形態最為接近的岸線位置，實現兩 種岸線數據間的粗配準，具體包括以下步驟： (3. 1)針對雷達影像和電子海圖的特徵，確定灰色關聯分析中的參考數據列和比較數 據列：由於雷達影像為位圖形式，而電子海圖為矢量圖形式，因此將雷達影像中提取的岸線 坐標設定為參考數據列，定義為：R=Ir(k) |k=1，2, ···，!!，將電子海圖中的岸線信息設定 為比較數據列，分別定義為=Ei =IeiGO|k=1，2, ···，!!}。之後比較R和若干AEi之間的 幾何形態相似程度，判斷其關聯程度； (3. 2)雷達影像中的岸線信息為位圖坐標，電子海圖中的岸線信息為經緯度信息，數據 量綱不同，需根據公式（9)進行數據的無量綱化處理如下：
(3.3)根據公式（10)和（11)，計算比較數據列R與參考數據列Ei中對應數據的關聯 係數如下：
(3. 4)取所有關聯繫數的平均值為數據列之間的關聯度，並以此表示比較數據列R與 參考數據列Ei之間的關聯程度，如公式（12)如示：
(3. 5)將關聯度ri按大小排序，取關聯度最大的比較數據列R與參考數據列Ei為同一 條岸線的粗配準結果。
5.根據權利要求1所述的岸線配準方法，其特徵在於，所述步驟（4)中針對來自雷達影 像和電子海圖的岸線信息採用了改進的ICP點雲配準方法，實現了兩種岸線數據間的精配 準，具體包括以下步驟： (4. 1)將粗配準後的雷達影像岸線數據存儲在點集P中，定義為：{P|PieR3，i=1，2,…，N}，Pi為岸線上某點的坐標，定義為：(xpi，ypi);同時，將對應的電子海圖岸線數據 存儲在點集Q中，定義為：（QlqieR3,i= 1，2,…，N}，qi為岸線上某點的坐標，定義為： (Xpyqi);作為同一段岸線的非同源數據，p、Q兩個點集之間應符合剛體變換，假定該剛體 變換是由一個2*2的旋轉矩陣R和一個2*2的平移矩陣T實現的，如公式（13)所示：
(4. 2)根據最優匹配原則設計數據配準的目標函數，如公式（14)所示，點集R、T應使 該目標函數的值最小：
(4. 3)計算點集P中的每一個點在Q點集中的對應最近點； (4. 4)計算上述對應點對平均距離最小的剛體變換，求得旋轉矩陣R和平移矩陣T; (4. 5)對Q使用上一步的平移矩陣T和旋轉矩陣Q，得到新的變換點集，並替換獲得新 的點集Q; (4.6)如果新的點集Q與參考點集P之間滿足公式（14)中目標函數的要求，即平均距 離小於給定的閥值，則停止迭代，完成精配準；否則，以新的點集Q與參考點集P繼續迭代下 去，直到達到目標函數的要求。
【文檔編號】G06T7/00GK104463877SQ201410764435
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優先權日:2014年12月12日
【發明者】謝磊, 劉建坤, 馬楓, 初秀民, 曹臻, 王樹武 申請人:武漢理工大學